Slechts weinig zoogdieren kunnen het opnemen tegen de snelheid en het uithoudingsvermogen van paarden. Hun spieren verbruiken meer dan 360 liter zuurstof per minuut. De zuurstofopname in de spieren is in vergelijking met hun lichaamsgewicht meer dan dubbel zo hoog als bij topsporters. Om die eigenschap op te sporen hebben eerdere studies zich grotendeels gefocust op de lichamelijke eigenschappen zoals grootte, spieropbouw of manier van lopen.
Amerikaanse onderzoekers hebben een mutatie ontdekt die normaal gezien de productie van een bepaald eiwit tegenhoudt. Die mutatie is geëvolueerd tot een moleculair voordeel voor eenhoevigen. Volgens de onderzoekers verbetert die speciale genetische mutatie de aerobe verbranding en de energieproductie van paarden, ezels en zebra’s aanzienlijk.
In de nieuwe studie, gepubliceerd in Science, richtte het onderzoeksteam van Gianni Castiglione zich op het KEAP1-gen en op de KEAP-1-NRF2-signaalroute. Die reguleren de antioxidant-reacties en de energieproductie in mitochondriën. Bij vogels is die metabole route ontwikkeld om met oxidatieve stress om te gaan die door het vliegen ontstaat. Bovendien hielp het de vroege gewervelde dieren zich bij de overgang van water naar land aan te passen aan stressvolle omgevingsfactoren, zoals uv-straling. Tijdens de analyse (van dit gen en de daartoe behorende signaalroute) stuiten de onderzoekers op een stopcodon dat bij andere diersoorten op dezelfde plaats in het DNA niet voorkomt. Dat stopcodon zou de productie van de aminozuurketen te vroeg stoppen. Daardoor zou het resulterende eiwit extreem kort en volledig onbruikbaar zijn.
Andere signaalroute
Die bevinding verbaasde de onderzoekers. Ze voerden talloze experimenten uit om de eiwitstructuur te onderzoeken en het raadsel te ontcijferen. Tot hun verbazing vonden ze dat er hier een genetisch mechanisme actief was, waarvan ze dachten dat het enkel bij virussen kon voorkomen. Het KEAP1-gen codeert normaal gezien voor een eiwit dat uit meer dan zeshonderd aminozuren bestaat. Maar het stopcodon dat het team ontdekte op de vijftiende positie in de aminozuursequentie zou betekenen dat er slechts veertien aminozuren geproduceerd worden voordat het vertalingsproces stopt. Dat zou veel te kort zijn voor het eiwit om zijn functies goed uit te voeren. En toch blijkt de molecule in paardencellen compleet en functioneel te zijn.
Uiteindelijk bood de massaspectrometer, een toestel waarmee je de samenstelling van moleculen op basis van hun massa en lading kan achterhalen, een verklaring. Het vertalingsproces stopt niet, want het stopcodon wordt anders gelezen en als een cysteïne-codon geïnterpreteerd. De vertaling gaat dus ononderbroken verder. Zo’n doorbreking van de gangbare genetische regels bij een KEAP1-gen is bij gewervelden volgens de onderzoekers nog niet eerder vastgesteld.
Maar hoe hangt die genmutatie nu samen met het verhoogde uithoudingsvermogen van paarden? De onderzoekers vermoeden dat de genetische mutatie de KEAP-1-NRF2-signaalroute verandert: het zuurstofverbruik van de mitochondriën en de productie van ATP, de drager van chemische energie in een cel, stijgen. Tegelijkertijd vermindert de oxidatieve stress in de cel.
Omdat de spieren van paarden meer zuurstof in energie kunnen omzetten, is hun spierstelsel krachtiger. Een verbluffend resultaat van de evolutie.
Dit artikel verscheen eerder in Spektrum. Vertaling: Lisa Vanroye
Schrijf je in op onze nieuwsbrief
En blijf op de hoogte van de laatste inzichten in wetenschap en technologie.